印刷機(jī)是集機(jī)、光、電、液、氣、控制、網(wǎng)絡(luò)于一體的復(fù)雜精密機(jī)械裝備，是印刷工業(yè)發(fā)展的根基。凹版印刷機(jī)由于具有色彩質(zhì)量好、靈活性大、適用范圍廣、效率高、耐印力高且相對(duì)成本低等特點(diǎn)，成為了印刷企業(yè)長(zhǎng)期投資的對(duì)象。相關(guān)調(diào)查報(bào)告顯示，2019 年全球凹版印刷機(jī)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了 54 億元，預(yù) 計(jì) 2026 年將達(dá)到 65 億元，年復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)為 2.6%。由此可見(jiàn)，對(duì)于印刷企業(yè)來(lái)說(shuō)，凹版印刷機(jī)仍是企業(yè)發(fā)展進(jìn)程中不可或缺的重要組成部分，市場(chǎng)潛力很大。
凹印機(jī)故障檢測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
凹印機(jī)由放料單元、放料牽引、印刷色組、收料牽引、收料單元等多個(gè)機(jī)構(gòu)共同組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且機(jī)械零件繁多，特殊的壓印方法使其各部分間的耦合性較強(qiáng)且承受機(jī)械壓力很大，對(duì)零部件的機(jī)械精密性提出了挑戰(zhàn)，對(duì)于印刷機(jī)的穩(wěn)定性、故障率有著很高的要求。
由于凹版印刷機(jī)的高度復(fù)雜性和精密性，即便是微小的故障都有可能影響到整機(jī)的印刷效果，甚至影響水路、墨路、傳動(dòng)等性能，使其印刷精度大大下降，出現(xiàn)大量印刷廢品，給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)影響。此外，印刷裝備使用的許多有機(jī)溶劑具有一定的腐蝕性，長(zhǎng)期使用會(huì)影響機(jī)械部件的精度，甚至損壞印刷設(shè)備，造成高昂的設(shè)備維修成本。
常見(jiàn)的凹印機(jī)故障主要有收放料結(jié)構(gòu)故障、印刷單元故障等，傳統(tǒng)方法是采用基于振動(dòng)信號(hào)、聲信號(hào)、圖像以及電流信號(hào)等方式進(jìn)行故障診斷?；诼曅盘?hào)的檢測(cè)技術(shù)從 20 世紀(jì) 90 年代就開(kāi)始研究，但是由于采集的信號(hào)缺陷較多，至今仍處于實(shí)驗(yàn)階段。由于輸墨裝置的結(jié)構(gòu)較為緊湊，不適合采集圖像，在機(jī)械設(shè)備上大多數(shù)應(yīng)用振動(dòng)信號(hào)來(lái)進(jìn)行診斷。凹印機(jī)的振動(dòng)信號(hào)包含有大量的故障信息，因此采集輸墨裝置的振動(dòng)信號(hào)是監(jiān)測(cè)印刷機(jī)輸墨單元的最好方法。通過(guò)對(duì)常見(jiàn)的 3種輸墨裝置進(jìn)行對(duì)比，可以將 3 軸加速度傳感器安裝在印版滾筒上。
隨著凹印機(jī)發(fā)生故障的多樣化以及故障存在的潛在可能性不斷增大，采用傳統(tǒng)方法僅憑人工經(jīng)驗(yàn)以及試印調(diào)試進(jìn)行故障診斷，不僅對(duì)維修工程師的經(jīng)驗(yàn)要求較高，增加企業(yè)人力成本以及資金消耗，同時(shí)在診斷過(guò)程中還可能會(huì)產(chǎn)生疏漏，輕則影響工作進(jìn)度，重則可能導(dǎo)致停工停產(chǎn)。為此，科研人員嘗試將現(xiàn)代化的故障診斷技術(shù)應(yīng)用到印刷領(lǐng)域中來(lái)，基于物聯(lián)網(wǎng)的印刷機(jī)故障智能診斷檢測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
基于物聯(lián)網(wǎng)的凹印機(jī)故障監(jiān)測(cè)技術(shù)
凹印機(jī)的故障監(jiān)測(cè)技術(shù)主要通過(guò)采集印刷機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中反饋的信號(hào)，將其與正常工作的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而確定故障原因。基于規(guī)則和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)仍然存在某些不足，例如獲取故障樣本困難、樣本學(xué)習(xí)效率低等。近年來(lái)，深度學(xué)習(xí)作為新技術(shù)，通過(guò)訓(xùn)練設(shè)備控制系統(tǒng)學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單故障解決方法，以及通過(guò)機(jī)器視覺(jué)實(shí)時(shí)檢測(cè)，最終提升了故障識(shí)別的精度。隨著技術(shù)的發(fā)展，深度遷移學(xué)習(xí)逐漸進(jìn)入人們的視野，現(xiàn)在許多科研人員將遷移學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械故障診斷中。
1. 檢測(cè)原理
基于物聯(lián)網(wǎng)的凹印機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)采用具有物聯(lián)網(wǎng)功能的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，數(shù)據(jù)類型包括振動(dòng)頻率、位置流量以及溫度和濕度;使用讀寫(xiě)器接收設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，傳輸至計(jì)算機(jī)對(duì)大量冗長(zhǎng)雜亂的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、篩選、處理;處理過(guò)的數(shù)據(jù)上傳至云數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，以表格或者圖形的直觀形式呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)或移動(dòng)設(shè)備上，方便技術(shù)人員遠(yuǎn)程訪問(wèn)和監(jiān)測(cè)設(shè)備，以達(dá)到對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
多個(gè)安裝在流水線上不同設(shè)備、不同部位的傳感器之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)，將整個(gè)車間設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)反映給技術(shù)人員，以達(dá)到在機(jī)器故障時(shí)及時(shí)準(zhǔn)確地找到故障點(diǎn)并排除故障，提高單個(gè)設(shè)備以及整條生產(chǎn)線的使用壽命。機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)流程如圖所示。
2. 狀態(tài)信息采集
在印刷車間集成具有物聯(lián)網(wǎng)功能的傳感器，借助云平臺(tái)數(shù)據(jù)分析為技術(shù)人員提供實(shí)時(shí)可行的解決方案。每次故障所收集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)將在未來(lái)發(fā)生緊急情況時(shí)采取糾正措施，以確保生產(chǎn)的準(zhǔn)確率。所有這一切的核心就是物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)，一個(gè)可支持跨多個(gè)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、云數(shù)據(jù)的管理平臺(tái)。
傳統(tǒng)上對(duì)于傳感器信號(hào)的接收通常采用標(biāo)準(zhǔn)傳感器Wi-Fi節(jié)點(diǎn)，其硬件主要由傳感器、微控制器、射頻收發(fā)器和電源組成。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都配有物理傳感器，用以采集如濕度、溫度、振動(dòng)、壓力等物理信號(hào)。但是由于其需要電源供電，覆蓋范圍小，在未來(lái)將逐漸被射頻識(shí)別(RFID)所替代。
RFID是一種低成本的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，運(yùn)行維護(hù)所花費(fèi)的資金同樣甚少。RFID 傳感器可以完全依靠外界來(lái)獲得能源，不需要像傳統(tǒng)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)那樣更換電池。盡管有源傳感器在長(zhǎng)距離、長(zhǎng)時(shí)間段數(shù)據(jù)傳輸方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但是隨之而來(lái)的問(wèn)題是電池系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜且運(yùn)行維護(hù)成本較高，電池的壽命一定程度上也影響了整個(gè)系統(tǒng)的壽命，并限制了傳感器應(yīng)用的范圍，使其無(wú)法在某些特定的情況下使用。
3. 信息處理技術(shù)
傳統(tǒng)針對(duì)于信號(hào)的處理方法一般包括時(shí)域分析法、頻域分析法、幅值域分析法、傅里葉變換分析法等。傅里葉變換分析法是將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)進(jìn)行分析，通常情況下傅里葉變換分析法針對(duì)于處理相對(duì)平穩(wěn)的信號(hào)。由于是將信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)分析，所以該方法幾乎沒(méi)有時(shí)域信號(hào)的特征。此外，傅里葉變換分析是對(duì)該段全部數(shù)據(jù)進(jìn)行的平均分析，而對(duì)振蕩、非線性的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)，局部的信號(hào)頻率波動(dòng)不易被觀測(cè)到，因此不能準(zhǔn)確地給出某信號(hào)頻率的具體發(fā)生時(shí)間，不能對(duì)信號(hào)作局部分析。
在現(xiàn)代相對(duì)高效的信號(hào)處理分析方法中，小波分析法對(duì)振蕩信號(hào)的分析具有較好的效果。小波分析法是一種通過(guò)伸縮平移方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行細(xì)分，對(duì)高頻率時(shí)間段和低頻率時(shí)間段進(jìn)行分段細(xì)化分析，從而可以觀測(cè)到所有時(shí)間段信號(hào)的任何細(xì)節(jié)的分析方法，時(shí)間窗和頻率窗都可改變，使小波變換具有對(duì)信號(hào)的自適應(yīng)性。由于小波變換函數(shù)具有復(fù)雜可變性，小波函數(shù)的選取對(duì)于小波變換分析的結(jié)果具有決定性作用，所以需要針對(duì)目標(biāo)信號(hào)的類型選擇相應(yīng)的小波函數(shù)進(jìn)行分析。
印刷機(jī)械正朝著高速化、自動(dòng)化以及智能化方向快速發(fā)展，在保證安全環(huán)保的條件下，提高印刷機(jī)生產(chǎn)效率以及增加經(jīng)濟(jì)效益，始終是印刷企業(yè)追求的目標(biāo)。在印刷生產(chǎn)中，機(jī)械故障占比高達(dá) 60%，因此及時(shí)預(yù)測(cè)故障并且解決故障十分必要。
本文作者：陜西北人印刷機(jī)械有限責(zé)任公司翟旭昭 王曉博 韓武 焦鈺
凹印機(jī)故障檢測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
凹印機(jī)由放料單元、放料牽引、印刷色組、收料牽引、收料單元等多個(gè)機(jī)構(gòu)共同組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且機(jī)械零件繁多，特殊的壓印方法使其各部分間的耦合性較強(qiáng)且承受機(jī)械壓力很大，對(duì)零部件的機(jī)械精密性提出了挑戰(zhàn)，對(duì)于印刷機(jī)的穩(wěn)定性、故障率有著很高的要求。
由于凹版印刷機(jī)的高度復(fù)雜性和精密性，即便是微小的故障都有可能影響到整機(jī)的印刷效果，甚至影響水路、墨路、傳動(dòng)等性能，使其印刷精度大大下降，出現(xiàn)大量印刷廢品，給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)影響。此外，印刷裝備使用的許多有機(jī)溶劑具有一定的腐蝕性，長(zhǎng)期使用會(huì)影響機(jī)械部件的精度，甚至損壞印刷設(shè)備，造成高昂的設(shè)備維修成本。
常見(jiàn)的凹印機(jī)故障主要有收放料結(jié)構(gòu)故障、印刷單元故障等，傳統(tǒng)方法是采用基于振動(dòng)信號(hào)、聲信號(hào)、圖像以及電流信號(hào)等方式進(jìn)行故障診斷?；诼曅盘?hào)的檢測(cè)技術(shù)從 20 世紀(jì) 90 年代就開(kāi)始研究，但是由于采集的信號(hào)缺陷較多，至今仍處于實(shí)驗(yàn)階段。由于輸墨裝置的結(jié)構(gòu)較為緊湊，不適合采集圖像，在機(jī)械設(shè)備上大多數(shù)應(yīng)用振動(dòng)信號(hào)來(lái)進(jìn)行診斷。凹印機(jī)的振動(dòng)信號(hào)包含有大量的故障信息，因此采集輸墨裝置的振動(dòng)信號(hào)是監(jiān)測(cè)印刷機(jī)輸墨單元的最好方法。通過(guò)對(duì)常見(jiàn)的 3種輸墨裝置進(jìn)行對(duì)比，可以將 3 軸加速度傳感器安裝在印版滾筒上。
隨著凹印機(jī)發(fā)生故障的多樣化以及故障存在的潛在可能性不斷增大，采用傳統(tǒng)方法僅憑人工經(jīng)驗(yàn)以及試印調(diào)試進(jìn)行故障診斷，不僅對(duì)維修工程師的經(jīng)驗(yàn)要求較高，增加企業(yè)人力成本以及資金消耗，同時(shí)在診斷過(guò)程中還可能會(huì)產(chǎn)生疏漏，輕則影響工作進(jìn)度，重則可能導(dǎo)致停工停產(chǎn)。為此，科研人員嘗試將現(xiàn)代化的故障診斷技術(shù)應(yīng)用到印刷領(lǐng)域中來(lái)，基于物聯(lián)網(wǎng)的印刷機(jī)故障智能診斷檢測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
基于物聯(lián)網(wǎng)的凹印機(jī)故障監(jiān)測(cè)技術(shù)
凹印機(jī)的故障監(jiān)測(cè)技術(shù)主要通過(guò)采集印刷機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中反饋的信號(hào)，將其與正常工作的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而確定故障原因。基于規(guī)則和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)仍然存在某些不足，例如獲取故障樣本困難、樣本學(xué)習(xí)效率低等。近年來(lái)，深度學(xué)習(xí)作為新技術(shù)，通過(guò)訓(xùn)練設(shè)備控制系統(tǒng)學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單故障解決方法，以及通過(guò)機(jī)器視覺(jué)實(shí)時(shí)檢測(cè)，最終提升了故障識(shí)別的精度。隨著技術(shù)的發(fā)展，深度遷移學(xué)習(xí)逐漸進(jìn)入人們的視野，現(xiàn)在許多科研人員將遷移學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械故障診斷中。
1. 檢測(cè)原理
基于物聯(lián)網(wǎng)的凹印機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)采用具有物聯(lián)網(wǎng)功能的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，數(shù)據(jù)類型包括振動(dòng)頻率、位置流量以及溫度和濕度;使用讀寫(xiě)器接收設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，傳輸至計(jì)算機(jī)對(duì)大量冗長(zhǎng)雜亂的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、篩選、處理;處理過(guò)的數(shù)據(jù)上傳至云數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，以表格或者圖形的直觀形式呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)或移動(dòng)設(shè)備上，方便技術(shù)人員遠(yuǎn)程訪問(wèn)和監(jiān)測(cè)設(shè)備，以達(dá)到對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
多個(gè)安裝在流水線上不同設(shè)備、不同部位的傳感器之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)，將整個(gè)車間設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)反映給技術(shù)人員，以達(dá)到在機(jī)器故障時(shí)及時(shí)準(zhǔn)確地找到故障點(diǎn)并排除故障，提高單個(gè)設(shè)備以及整條生產(chǎn)線的使用壽命。機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)流程如圖所示。
2. 狀態(tài)信息采集
在印刷車間集成具有物聯(lián)網(wǎng)功能的傳感器，借助云平臺(tái)數(shù)據(jù)分析為技術(shù)人員提供實(shí)時(shí)可行的解決方案。每次故障所收集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)將在未來(lái)發(fā)生緊急情況時(shí)采取糾正措施，以確保生產(chǎn)的準(zhǔn)確率。所有這一切的核心就是物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)，一個(gè)可支持跨多個(gè)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、云數(shù)據(jù)的管理平臺(tái)。
傳統(tǒng)上對(duì)于傳感器信號(hào)的接收通常采用標(biāo)準(zhǔn)傳感器Wi-Fi節(jié)點(diǎn)，其硬件主要由傳感器、微控制器、射頻收發(fā)器和電源組成。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都配有物理傳感器，用以采集如濕度、溫度、振動(dòng)、壓力等物理信號(hào)。但是由于其需要電源供電，覆蓋范圍小，在未來(lái)將逐漸被射頻識(shí)別(RFID)所替代。
RFID是一種低成本的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，運(yùn)行維護(hù)所花費(fèi)的資金同樣甚少。RFID 傳感器可以完全依靠外界來(lái)獲得能源，不需要像傳統(tǒng)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)那樣更換電池。盡管有源傳感器在長(zhǎng)距離、長(zhǎng)時(shí)間段數(shù)據(jù)傳輸方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但是隨之而來(lái)的問(wèn)題是電池系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜且運(yùn)行維護(hù)成本較高，電池的壽命一定程度上也影響了整個(gè)系統(tǒng)的壽命，并限制了傳感器應(yīng)用的范圍，使其無(wú)法在某些特定的情況下使用。
3. 信息處理技術(shù)
傳統(tǒng)針對(duì)于信號(hào)的處理方法一般包括時(shí)域分析法、頻域分析法、幅值域分析法、傅里葉變換分析法等。傅里葉變換分析法是將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)進(jìn)行分析，通常情況下傅里葉變換分析法針對(duì)于處理相對(duì)平穩(wěn)的信號(hào)。由于是將信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)分析，所以該方法幾乎沒(méi)有時(shí)域信號(hào)的特征。此外，傅里葉變換分析是對(duì)該段全部數(shù)據(jù)進(jìn)行的平均分析，而對(duì)振蕩、非線性的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)，局部的信號(hào)頻率波動(dòng)不易被觀測(cè)到，因此不能準(zhǔn)確地給出某信號(hào)頻率的具體發(fā)生時(shí)間，不能對(duì)信號(hào)作局部分析。
在現(xiàn)代相對(duì)高效的信號(hào)處理分析方法中，小波分析法對(duì)振蕩信號(hào)的分析具有較好的效果。小波分析法是一種通過(guò)伸縮平移方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行細(xì)分，對(duì)高頻率時(shí)間段和低頻率時(shí)間段進(jìn)行分段細(xì)化分析，從而可以觀測(cè)到所有時(shí)間段信號(hào)的任何細(xì)節(jié)的分析方法，時(shí)間窗和頻率窗都可改變，使小波變換具有對(duì)信號(hào)的自適應(yīng)性。由于小波變換函數(shù)具有復(fù)雜可變性，小波函數(shù)的選取對(duì)于小波變換分析的結(jié)果具有決定性作用，所以需要針對(duì)目標(biāo)信號(hào)的類型選擇相應(yīng)的小波函數(shù)進(jìn)行分析。
印刷機(jī)械正朝著高速化、自動(dòng)化以及智能化方向快速發(fā)展，在保證安全環(huán)保的條件下，提高印刷機(jī)生產(chǎn)效率以及增加經(jīng)濟(jì)效益，始終是印刷企業(yè)追求的目標(biāo)。在印刷生產(chǎn)中，機(jī)械故障占比高達(dá) 60%，因此及時(shí)預(yù)測(cè)故障并且解決故障十分必要。
本文作者：陜西北人印刷機(jī)械有限責(zé)任公司翟旭昭 王曉博 韓武 焦鈺
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